分析管殼式換熱器失效形式及處理對策

李 海，端木偉峰

（青海鹽湖鎂業有限公司，青海 格爾木 816099）

壓力容器是一個封閉的容器，設計用于在與周圍壓力大相徑庭的壓力下容納氣體或液體。工業上使用的大多數壓力容器，如反應器和傳熱裝置都是熱交換器。管殼式換熱器是流程工業中應用最廣泛和最普遍的基本換熱器結構，具有傳熱面積與體積和重量之比大、結構簡單、清洗方便、機械結構堅固耐用等優點[1]。

管板是管殼式換熱器的關鍵部件。大量的管子被用來實現所需的傳熱。管子水平或垂直運行，長度也相當大。這種管子的兩端由管板支撐。此外，管板將受到差壓和溫度條件影響的殼側和管側區域分開。它對管子和管板造成相當多的機械和熱負荷。因此，管子與管板的連接和管板與管板的連接是換熱器的關鍵區域，需要認真研究。介紹了分析設計方法，重點介紹了利用應力分析的結果來評估構件的塑性破壞、局部破壞、屈曲和循環加載的詳細設計過程[2]。

1 管殼式換熱器失效概述

1.1 研究背景

壓力容器主要承受壓力、熱力、外部管道和接管載荷、風力和地震載荷等。這些負荷過大、設計不當、制造誤差是造成壓力容器事故的少數幾個因素。外殼、頭部、附件和管道是一些通常會出現故障的部件。以下條件和因素在壓力容器故障中起著重要作用:-操作壓力超過最大允許工作壓力。-溫度過高。-熱處理不當，苛性脆化。制造誤差、不連續性和焊接問題容器火災暴露。-裂紋、疲勞蠕變和應力斷裂-減壓裝置尺寸或壓力設置不當、泄漏-現場制造和安裝過程中的錯誤檢查和損壞-運輸和儲存過程中的損壞。

上述主要條件或因素容易失效的壓力容器可以研究使用有限分析技術，如失圓度，提升分析和沖擊載荷分析的制造，安裝和運輸問題，瞬態耦合熱超壓和溫度條件，疲勞失效分析，焊縫模擬使用殘余應力提取。FEA將是壓力容器制造商和服務提供商驗證其產品的良好實踐。

在本文的研究過程中，分析設計法是對壓力容器進行詳細的應力分析，以防止失效模式的發生。提供了應力分析，以評估部件的塑性塌陷，局部破壞，屈曲，循環加載。對螺栓、穿孔板和分層容器的分析提供了補充要求。還提供了使用實驗應力分析結果進行設計的程序，以及進行斷裂力學評估的程序。以上所有的失效模式都可以使用有限元分析技術進行分析。壓力和熱占空比引起的循環或重復載荷是壓力容器工業中的主要失效原因之一[3]。

1.2 管殼式換熱器概述

如前所述，管殼式換熱器是過程工業中應用最普遍、最廣泛的換熱器。全球熱交換器的設計和制造標準有很多，應用最廣泛的標準有ASME鍋爐和壓力容器規范、TEMA標準和ISO標準。對于本研究，所分析的換熱器是按照管殼式換熱器制造協會的標準制造的。管殼式換熱器制造商協會(TEMA)是管殼式換熱器領先制造商的行業協會，在過去六十多年中，他們一直是熱交換器研究和開發的先驅。TEMA標準和軟件作為殼管式熱交換器機械設計的權威已經獲得了全世界的認可。

用于分析的換熱器稱為固定頭固定管板式單程殼式換熱器。它由固定管板殼式換熱器和管式換熱器組成。管板與殼體焊接，殼體與封頭通過螺栓連接。在有限元分析中，沒有考慮到殼體與封頭之間采用粘結連接的螺栓，也沒有將其理想化。殼體材料為SA-387 Gr11 CL-1，管體材料為SA-213 T-1。模型由內徑為566mm的殼體組成，腐蝕狀態下殼體和管壁厚度分別為16和32mm。模擬的管道數目為237根，內徑為11mm，厚度為2mm。圖1描繪了用于分析的殼管式熱交換器。

2 計算模型的設計

2.1 FEA模型

適當的網格尺寸用于捕捉結構的行為。六角網格管和殼體捕獲彎曲行為，而六角主導網格是用于管子。最小3～4秒的有序元素用于關鍵區域，如Tubesheet、殼體和噴嘴的連接處。利用ANSYS 17.1建立了模型，并對施加的荷載進行了分析。考慮了半對稱模型，減少了模型的建立和解的運行時間。

在本文的分析中，考慮了線性各向同性材料的特性。由于沒有考慮塑性效應，因此采用線彈性方法進行模擬。滑動由于熱膨脹在兩個馬鞍是不允許的，假定是固定的。假定管子和管板連接采用粘結接觸。由于瞬態熱分析運行幾小時的限制，穩態熱分析作為最壞的情況被考慮。沒有考慮由于占空比引起的換熱器溫度隨時間的變化。進行了穩態熱分析，并從熱分析的溫度分布進行了靜態分析。采用彈性應力分析法進行疲勞評估的設計疲勞曲線以光滑桿試樣為基礎，并根據平均應力和應變的最大可能影響進行調整，因此不需要調整平均應力影響。

2.2 疲勞評估-彈性應力分析

進行疲勞分析，以評估設備在崩潰前能夠抵抗的應用循環次數。在現有的換熱器中，疲勞循環通常是在換熱器的運行啟停循環中產生的。

由于換熱器的循環啟停運行，產生了交變應力，需要對其進行研究，以確定允許的循環次數。以下兩個條件說明了疲勞評估的峰谷條件。

（1）當管側流體剛剛打開(22℃)，殼側流體連續打開時，由于沒有流體側流，殼側流體入口和出口溫度相同(260℃)，將出現熱負荷工況。

（2）一旦在幾小時后達到穩定狀態，殼體出口流體溫度將降至200℃，管側流體溫度將升至160℃，就會出現熱負荷情況。

結構荷載工況包括壓力荷載、自重荷載和噴管荷載，目前的分析只考慮壓力荷載和熱荷載。管殼內表面分別施加管側壓力和補償壓力。熱負荷包括殼體和管道兩側的溫度，以及由于保溫作用在外筒壁上的有效傳熱系數，用于熱分析。圖1描繪了管殼式換熱器的工藝流程。上述所有熱和結構載荷工況進行了評估，其中疲勞壽命需要確定。

圖1 管殼式換熱器的工藝流程

2.3 疲勞評估工作流程

在現有的換熱器中，疲勞循環通常是由換熱器的運行啟動和停機循環產生的。對疲勞載荷工況進行靜態結構和熱分析，計算每個節點的交變等效應力，并用最大交變應力來預測允許的疲勞周期。在ASME BPVC中規定的以下步驟是用于根據有效總等效應力幅值來評估由于循環加載引起的失效的保護。進一步計算了換熱器各節點在開始和結束工況下的部件等效應力和熱等效應力。此外，進行了交變等效應力范圍的計算，并考慮了最大應力值的疲勞循環評價。

實驗分析結果顯示，最大應力出現在管子與管板連接處，管殼與管板連接處。另外，由于壓力循環，熱應力比壓力更占主導地位，這是由于管板和管子之間的溫度梯度更高。

2.4 有限元分析的注意事項

以下是一些在應力分析中使用的分析法設計的有限元分析。在這種情況下，用戶應該采取適當的預防措施來正確地進行分析。壓力容器(如反應堆和熱交換器)的復雜模型的建立和驗證是耗時的，可以敏感的邊界條件(應力集中，局部應力)。網格敏感性，收斂問題的關鍵區域，如在不連續，殼頭和管板結點。臨界和局部區域的峰值應力解釋完全依賴于分析，進一步可用于應力評估和疲勞計算。通過分析法設計疲勞行為的控制方程需要詳細的代碼理解，誤解將導致失效模式。壓力容器及其部件的優化設計采用ASME方法進行，進一步需要滿足優化部件的設計方程。疲勞評定彈性應力和等效應力法可用于光滑型面控制的焊接接頭。不推薦用于沒有加工光滑型材的焊接接頭[3]。

3 小結

本文綜述了用分析方法進行熱結構疲勞分析的方法。它突出了按照DBA方法進行壓力容器分析的缺陷，有助于用戶準確地進行壓力容器分析，而不會在結果的質量上有任何妥協。采用彈性應力分析方法研究了管殼式換熱器的疲勞壽命的基礎上，利用ANSYS軟件對結構進行了有限元熱分析，發現熱交換器的允許循環次數超過設計循環次數。疲勞損傷小于1，因此通過ASME規范的分析方法得出結論，熱交換器符合設計要求，是可以接受的。